KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ
52
SỐ 79 (08-2024)
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG MODULE PIN
LITHIUM 18650 SỬ DỤNG TRÊN XE ĐIỆN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
RESEARCH ON HEAT EXCHANGE PROCESS IN LITHIUM 18650 BATTERY
MODULE USED IN ELECTRIC VEHICLES BY NUMERICAL METHOD
THẨM BỘI CHÂU1, TRẦN THẾ NAM2
1Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
2Phòng Khoa học - Công nghệ, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
*Email liên hệ: chautb.vck@vimaru.edu.vn
Tóm tắt
Bài báo trình bày mô hình mô phỏng nhiệt của một
module pin Lithium-ion bằng phương pháp số.
Nhiệt độ của các cell pin ảnh hưởng lẫn nhau khi
được lắp ghép trong module. Cell pin ở giữa
module có nhiệt độ cao hơn so với các cell pin
nằm phía ngoài. Trong điều kiện không được làm
mát, nhiệt độ của các cell pin tăng lên đến 40
℃
sau một chu kì sạc 0,2 giờ. Việc tăng hiệu quả quá
trình trao đổi nhiệt đối lưu giúp cho nhiệt độ giảm
xuống đến 35
℃
nhiệt độ này nằm trong giới hạn
làm việc cho phép của pin.
Từ khóa: Pin lithium-ion, truyền nhiệt, làm mát,
module.
Abstract
This article has presented a thermal simulation
model of a Lithium-ion battery module using
numerical methods. The temperature of the
battery cells affects each other when assembled in
the module. The battery cells in the middle of the
module have a higher temperature than the
battery cells located on the outside. In uncooled
conditions, the temperature of the battery cells
increases to 40
℃
after a 0.2 hour charging cycle.
Increasing the efficiency of the convection heat
transfer helps reduce the battery cell temperature
to 35
℃
, which is within the allowable working
limit of the battery.
Keywords: Lithium-ion battery, heat transfer,
cooling, numerical analysis, module.
1. Mở đầu
Như đã được chứng minh từ thực tế, hiện nay pin
lithium đang là lựa chọn số một cho nguồn cung cấp
năng lượng trên các thiết bị giao thông vận tải (xe đạp
điện, xe máy điện, xe ô tô điện - EV, xe ô tô lai điện -
HEV), các thiết bị điện tử di động và thậm chí là cả
các thiết bị lưu trữ năng lượng cho lưới điện. Có được
một vị trí như vậy là do pin Lithium-ion (Li-ion) có
mật độ năng lượng cao, vòng đời dài và tỷ lệ tự phóng
điện thấp. Mặc dù nhiều ưu điểm như vậy nhưng pin
Li-ion cũng có một hạn chế quan trọng là nhạy cảm
với các nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao. Khi một bộ pin
Li-ion trở nên quá nóng hoặc quá lạnh do các yếu tố
môi trường hoặc do tốc độ sạc hoặc xả cao của chính
nó, thì hiệu suất và vòng đời của pin bị giảm đáng kể.
Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, khi bộ pin bị nóng lên
hoặc lạnh đi ngoài phạm vi nhiệt độ tối ưu (20°C đến
40°C), thì khi nhiệt độ thay đổi chỉ một độ (1°C) cũng
có thể tạo ra sự khác biệt lớn về độ an toàn, khả năng
sạc và độ tin cậy việc quản lý pin. Việc nghiên cứu sự
sinh nhiệt và trao đổi nhiệt trong quá trình sạc - xả của
các pin lithium đơn lẻ bằng phương pháp số đã được
thực hiện và công bố trong [1]. Trong các ứng dụng
thực tế, nguồn cung cấp năng lượng điện yêu cầu một
số lượng lớn pin, và các pin này thường được tổ chức
thành từng khối gọi là các module. Khi được ghép lại
thành module trường nhiệt của các pin sẽ ảnh hưởng
qua lại và kết quả là trường nhiệt và trao đổi nhiệt của
module pin sẽ khác so với các pin đơn lẻ. Từ đó việc
nghiên cứu trường nhiệt và trao đổi nhiệt của module
pin cũng như khối pin là cần thiết để đảm bảo rằng các
module pin và các bộ nguồn luôn hoạt động an toàn
và tin cậy. Khái quát về các phương pháp làm mát bộ
pin cũng như các tiêu chí đánh giá hệ thống quản lý
nhiệt bộ pin sử dụng trên xe điện đã được trình bày
trong [2-5].
Bài báo trình bày việc mô phỏng trường nhiệt
trong module pin cỡ nhỏ, ảnh hưởng của điều kiện làm
mát tới sự phân bố nhiệt độ của module pin bằng
phương pháp số. Dựa trên các kết quả mô phỏng, đề
xuất phương pháp làm mát phù hợp cho module pin.
2. Mô hình mô phỏng Module pin Lithimun-ion
Một dạng thường gặp của tổ hợp các cell pin Lithium
là module 6S2P được hình thành từ 12 cell pin 18650
(đường kính 18mm, cao 65mm) sắp xếp thành hai hàng,
mỗi hàng 6 cell như được thể hiện trên Hình 1. Các thanh
dẫn điện bằng nhôm liên kết các điện cực của các cell pin
với nhau. Toàn bộ module pin giả thiết được bọc trong
plastic, tạo thành một miền không khí bao quanh module
pin. Giả sử một dung lượng định mức cho module pin
6S2P là 5000mAh/126Wh tương ứng với một điện áp
định mức là 24V.
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ
53
SỐ 79 (08-2024)
Để nghiên cứu quá trình sinh nhiệt và truyền nhiệt
cho module pin người ta sử dụng mô hình truyền nhiệt
đơn giản hóa tham số gộp (Lumped) cho từng cell pin.
Cân bằng nhiệt lượng cho các cell pin Li-ion là
phương trình cân bằng giữa lượng nhiệt sinh ra, lượng
nhiệt tỏa ra môi trường và lượng nhiệt tích tụ trong
cell pin như sau:
2( ) ( ),
gen loss
dT
c T Q t Q t
dt
= + −
(1)
Phương trình (1) mô tả sự thay đổi nhiệt độ của
cell pin (T) theo thời gian. Trong đó, 𝑐 = 𝜌𝐶𝑝 là nhiệt
dung của pin, với 𝜌 là mật độ khối [kg/m3] 𝐶𝑝 là
nhiệt dung riêng [kJ/(kg ⋅ K)] 𝑄𝑔𝑒𝑛(𝑡) là tốc độ sinh
nhiệt trong pin [𝑊] và 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠(𝑡) nhiệt lượng trao đổi
với môi trường xung quanh, được xác định dựa trên
tổng các hệ số truyền nhiệt đối lưu. Nhiệt lượng trao
đổi bằng đối lưu được biểu diễn dưới dạng của định
luật Newton là:
( ) ( )
,
loss c amb
Q t h T t T

=−

(2)
Trong đó 𝑇𝑎𝑚𝑏 (𝑡) là nhiệt độ môi trường và ℎ𝑐=
ℎ𝐴, trong đó ℎ là hệ số truyền đối lưu [W/(m2∙ K)]
và 𝐴 là diện tích truyền nhiệt [𝑚2].
Có bốn nguồn sinh nhiệt trong pin Lithium ion
trong quá trình sạc/xả: Nhiệt sinh ra từ sự tiêu tán công
suất trên điện trở (sinh nhiệt Joule), nhiệt sinh ra từ sự
tăng entropy, nhiệt sinh ra từ phản ứng cell pin, và
nhiệt do phản ứng phụ sinh ra. Mô hình nhiệt - điện
hóa của cell pin Lithium đã được trình bày trong
nghiên cứu trước đó của tác giả [1] và các công trình
khác. Theo Uddin và cộng sự [6], trong quá trình hoạt
động của pin, hệ thống gia nhiệt Joule chi phối quá
trình sinh nhiệt. Về mặt vật lý, sự sinh nhiệt này thể
hiện sự tiêu tán công suất trên điện trở không thuận
nghịch gây ra bởi độ chênh lệch của điện thế bề mặt,
đó là sự chênh lệch giữa điện thế pha rắn 𝑄𝑠(𝑡) và
điện thế pha của dung dịch điện phân 𝑄𝑒(𝑡), so với
điện áp mạch trung bình (OCV) trên điện trở có dòng
điện (I) đi qua và được biểu thị bằng:
( ) ( ) ( ) ( )

=−

gen
Q t I t V t OCV t
(3)
Trong đó, 𝐼(𝑡) và 𝑉(𝑡) lần lượt là dòng điện và
điện áp cực có thể đo được. 𝑂𝐶𝑉(𝑡) là điện áp mạch
trung bình của pin có thể thu được từ thử nghiệm
chuẩn độ gián đoạn tĩnh điện và là một hàm của trạng
thái sạc (SoC) đo được thông qua việc đo thực nghiệm
đã được bày trong [7].
3. Kết quả và thảo luận
Sự đối lưu trong miền chứa đầy không khí tĩnh bao
quanh module pin bị bỏ qua. Module pin được làm
mát bằng điều kiện đối lưu thông qua các ranh giới
bên ngoài của module pin. Mô hình truyền nhiệt của
module pin 6S2P chỉ rõ rằng có hai mặt phẳng đối
xứng (không có dòng nhiệt truyền qua) trong module
pin. Do đó để tối ưu quá trình phân tích chỉ cần xây
dựng và phân tích mô hình cho một góc phần tư
module đồng thời sử dụng các điều kiện biên đối xứng
phẳng bên trong. Hình 2 thể hiện góc phần tư module
pin cấu hình 6S2P và mô hình phân tích của nó.
Trong nghiên cứu này điều kiện làm mát module
pin được giả định ở các chế độ làm mát khác nhau
tương ứng với các hệ số trao đổi nhiệt đối lưu lần lượt
là hc=0,10,20 và 30 W/m2K. Các giá trị ℎ𝑐= 0 tương
ứng với pin được bọc cách nhiệt. Để đạt được các giá
trị hc=10,20 và 30 W/m2K tương ứng ta đặt module
pin trong một kênh dẫn với các chế độ gió thổi làm
mát khác nhau. Các thông số cơ bản của module pin
lithium trong nghiên cứu này được trình bày trong
Bảng 1. Các thông số này được lấy từ các kết quả đo
đạc thực nghiệm trên module pin.
Sử dụng phần mềm mô phỏng CFD và thư viện vật
liệu của chúng [8], [9] để mô phỏng và phân tích
module pin Lithium 6S2P. Các kết quả nhận được sẽ
được đánh giá và thảo luận chi tiết dưới đây.
Hình 2. Mô hình mô phỏng module pin
Hình 1. Module pin Li-ion 18650 cấu hình 6S2P
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ
54
SỐ 79 (08-2024)
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY
Hình 3a mô tả phân bố của trường nhiệt độ trên vỏ
ngoài lớp áo bọc bằng plastic của module pin ứng với
trường hợp module pin được làm mát với hệ số trao
đổi nhiệt đối lưu hc=30W/m2K. Các kết quả phân tích
cho thấy phân bố nhiệt độ tại các vị trí khác nhau của
module pin là không đồng đều. Nhiệt độ thấp nhất là
20oC bằng nhiệt độ môi trường, nằm trên vỏ bọc
module tại những nơi không tiếp xúc trực tiếp với vỏ
cell pin. Nhiệt độ cao nhất là 36oC. nằm ở tại vùng lớp
Bảng 1. Các thông số vật lý của module 6S2P sử
dụng cell Pin Lithium-ion 18650 [10]
Tham số
Giá trị
Dung lượng (mAh)
5000
Điện áp danh định (V)
24
Điện áp ngắt sạc (V)
25.5
Điện áp ngắt xả (V)
18
Vật liệu điện cực dương
Li[NiCoAl]O2
Vật liệu điện cực âm
LixC6MCMB
Dung dịch điện phân
LiPF6/EC:EMC(3:7)
Đường kính (mm)
18,5 ± 0,2
Chiều cao (mm)
64,5 ± 0,5
Hình 4. Nhiệt độ trung bình theo giời gian của các cell pin
Hình 3. Phân bố nhiệt độ của (a) module pin và (b)
từng cell pin
(a)
(b)
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ
55
SỐ 79 (08-2024)
vỏ plastic tiếp xúc trực tiếp với vỏ các cell pin nằm ở
giữa module. Hình 3b thể hiện phân bố của trường
nhiệt độ trên vỏ các cell pin trong module. Các kết quả
cho thấy nhiệt độ trên các cell pin nằm ở giữa module
cao nhất và bằng 37oC còn nhiệt độ trên các cell pin ở
phía ngoài module thấp hơn khoảng 34oC. Trường
nhiệt độ giảm dần từ tâm của module pin ra phía cạnh
ngoài là do kết quả của việc làm mát module pin thông
qua trao đổi nhiệt đối lưu.
Hình 4 biểu diễn sự phân bố nhiệt độ trong module
pin và sự thay đổi nhiệt độ của các cell pin theo thời gian
ở các chế độ làm mát khác nhau, lần lượt tương ứng với
các giá trị của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu hc=0,10,20 và
30W/m2K. Hình 4a chỉ ra rằng nhiệt độ của tất cả các cell
pin trong module đều đạt đến 40oC sau một chu kì sạc
0,2 giờ và không có trao đổi nhiệt đối lưu. Ở điều kiện
này nhiệt độ của pin đạt tới nhiệt độ làm việc tới hạn của
cell pin. Ở nhiệt độ tuổi thọ và khả năng làm việc của pin
bị suy giảm nghiêm trọng. Hình 4b, c, d mô tả nhiệt độ
của các cell pin khi module được làm mát với hệ số trao
đổi nhiệt lần lượt là ℎ𝑐=10,20 và 30W/m2K. Khi
được làm mát nhiệt độ của các cell pin giảm xuống.
Nhiệt độ của cell pin phía ngoài thấp hơn đáng kể so với
nhiệt độ của cell pin ở giữa module. Nhiệt độ lớn nhất
của các cell pin đạt 38oC, 36oC và 35oC khi hệ số trao đổi
nhiệt đối lưu lần lượt là 10W/m2K, 20W/m2K và
30W/m2K. Nhiệt độ này nằm trong giới hạn làm việc cho
phép của các cell pin.
4. Kết luận
Bài báo đã trình bày mô hình mô phỏng quá trình
trao đổi nhiệt giữa các cell pin trong module pin
Lithium-ion bằng phương pháp số. Sự thay đổi nhiệt
độ của module được phân tích trên khía cạnh nhiệt
sinh ra trong tế bào pin và tản nhiệt ra môi trường. Từ
kết quả nghiên cứu rút ra những kết luận sau:
(1) Nhiệt độ của các cell pin ảnh hưởng lẫn nhau khi
được lắp ghép thành module. Cell pin ở giữa module có
nhiệt độ cao hơn so với các cell pin nằm phía ngoài.
(2)Trong điều kiện không được làm mát, nhiệt độ
của các cell pin tăng lên đến 40oC (nhiệt độ làm việc
giới hạn) sau một chu kì sạc 0,2 giờ.
(3)Tất cả các khối pin nhằm mục đích cung cấp
hay lưu trữ năng lượng đều phải được làm mát để đảm
bảo nhiệt độ trên các cell pin luôn nằm trong giới hạn
làm việc cho phép.
(4)Làm mát bằng không khí đơn giản, khi cần các
hệ số truyền nhiệt cao chỉ cần tăng tốc độ dòng không
khí thổi qua bộ pin. Tuy nhiên đi kèm với phương
pháp này là các hạn chế (tạo nên tiếng ồn ở các vận
tốc không khí cao, gây khó khăn cho khả năng chịu
nước của bộ pin,...). Vì vậy với các bộ pin dung lượng
lớn, sử dụng ở công suất lớn cần nghiên cứu thêm các
giải pháp làm mát như sử dụng vật liệu thay đổi pha
(PCM), sử dụng chất lỏng để làm mát cho bộ pin.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học
Hàng hải Việt Nam trong đề tài mã số: DT23-24.41.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thẩm Bội Châu và Nguyễn Văn Hải (2023),
Nghiên cứu mô hình nhiệt động học của pin
lithium-ion 18650 bằng phương pháp số, Tạp chí
Khoa học Công nghệ Hàng hải, Số 74, tr.36-40.
[2] Yuxuan Tan, Yue Li, Yueqing Gu, Wenjie Liu, Juan
Fang, and Chongchao Pan (2024), Numerical
Study on Heat Generation Characteristics of
Charge and Discharge Cycle of the Lithium-Ion
Battery, Energies, Vol.17(1).
doi: 10.3390/en17010178.
[3] Yue Chen (2023), Research on energy-saving
conventional submarine air- conditioning system
based on heat and humidity load calculation,
Vol.56, pp407-414.
[4] Wenjun Xu and Peng Hu (2020), Numerical study
on thermal behavior and a liquid cooling strategy
for lithium-ion battery, Int. J. Energy Res.,
Vol.44(9), pp.7645-7659.
doi: 10.1002/er.5496.
[5] A. Mallco Carpio, M. Cortes Carmona (2017),
Simulation and Design of Lithium Ion Battery
Packs for the Altitude Conditions in Northern
Chile, COMSOL Conference in Rotterdam.
[6] Kotub Uddin, Limhi Somerville, Anup Barai,
Michael Lain, T. R. Ashwin, Paul Jennings, and
James Marco (2017), The impact of high-
frequency-high-current perturbations on film
formation at the negative electrode-electrolyte
interface, Electrochim. Acta, Vol.233, pp.1-12.
doi: 10.1016/j.electacta.2017.03.020.
[7] Walid Allafi, Kotub Uddin, Cheng Zhang, Raja
Mazuir Raja Ahsan Sha, and James Marco (2017),
On-line scheme for parameter estimation of
nonlinear lithium ion battery equivalent circuit
models using the simplified refined instrumental
variable method for a modified Wiener
continuous-time model, Appl. Energy, Vol.204,
pp.497-508.
doi: 10.1016/j.apenergy.2017.07.030.
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ
56
SỐ 79 (08-2024)
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY
[8] Comsol, Battery Design Module Application
Library, 2021.
[Online]. Available at:
www.comsol.com/trademarks.
[9] Comsol, Thermal Modeling of a Cylindrical
Lithium-Ion Battery in 3D, 2021.
[Online]. Available at:
www.comsol.com/trademarks.
[10] Yang Shi, Xueli Nie, Bei Zhang, Dan Zhou,
Jiakai Wang, and Zhimin Wang (2011), Design
and experimental investigation on a 150K auto-
cascade refrigeration system, ICMREE2011 -
Proc. 2011 Int. Conf. Mater. Renew. Energy
Environ., Vol.2, pp.1240-1244.
doi: 10.1109/ICMREE.2011.5930561.
Ngày nhận bài: 08/04/2024
Ngày nhận bản sửa: 18/04/2024
Ngày duyệt đăng: 23/04/2024